Исследование сорбции ионов меди (II) сорбентом из стеблей топинамбура

Влияние рН среды на сорбционные свойства природного полисахаридного сорбента по отношению к ионам меди(II) в гетерофазной системе "водной раствор – сорбент". Получение кинетических кривых и изотерм сорбции ионов меди(II) из водных растворов соли металла.

Рубрика Химия
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 31.07.2018
Размер файла 64,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ивановский государственный химико-технологический университет

Исследование сорбции ионов меди (II) сорбентом из стеблей топинамбура

Химические науки

Комарова Дарья Сергеевна, магистр

Никифорова Татьяна Евгеньевна, доктор наук, доцент

Исследовано влияние рН среды на сорбционные свойства природного полисахаридного сорбента по отношению к ионам меди(II) в гетерофазной системе «водной раствор - сорбент». Получены кинетические кривые и изотермы сорбции ионов меди(II) из водных растворов соли металла. Экспериментальные данные обработаны в рамках модели Ленгмюра.

В настоящее время для очистки водных растворов от ионов тяжелых металлов разрабатываются новые методы. Одним из наиболее перспективных методов очистки водных растворов различной природы, в том числе и пищевых сред, является сорбционный метод. Актуальной задачей является разработка сорбентов, обладающих высокой способностью извлечения ионов металлов из воды и применение которых было бы экономически целесообразно.

В последние годы большой интерес представляет разработка сорбентов на основе побочных продуктов пищевой, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности [1, 2]. Эти материалы имеют более низкую стоимость, доступны и просты по способам утилизации, обладают достаточно высокими сорбционными характеристиками по широкой гамме металлов-загрязнителей и являются экологически чистыми. Природные сорбенты это уникальные материалы, которые позволяют очищать различные среды (водоемы, сточные и технологические воды, пищевые среды) от токсичных веществ, в том числе тяжелых металлов, радионуклидов.

Особый интерес в настоящее время привлекают исследования сорбционных свойств продуктов растительного происхождения, которые являются отходами агропромышленного сектора, например, такие как стебли топинамбура, рисовая шелуха, соевый шрот и др. [3-5].

Благодаря своим структурным особенностям стебли топинамбура обладают довольно высокими сорбционными характеристиками, что позволяет рекомендовать его для очистки водных сред от ионов тяжелых металлов.

Цель данной работы - изучение закономерностей сорбции ионов меди из водных растворов ее солей полисахаридным сорбентом.

Материалы и методы

При выполнении экспериментальной части работы в качестве сорбента использовали необработанные стебли топинамбура, которые предварительно очищали от внешнего слоя (эпидермиса, пробки, коры, флоэмы) и измельчали до размера частиц 0,5-1 мм. Полученный сорбент просеивали через сита.

В работе были использованы: CuSO4.5H2O, Сu(NO3)2·3Н2О, НNO3, все реактивы квалификации «х.ч.».

Кинетику сорбции ионов тяжелых металлов исследуют в статических условиях при перемешивании методом ограниченного объема раствора [6]. Для получения кинетических кривых в серию пробирок помещают навески сорбента массой по 0,10 г, заливают их 10 мл водного раствора сульфата металла. Начальная концентрация ионов металлов составляла 1,5?10-4 моль/л. Через определенные промежутки времени раствор отделяют от сорбента фильтрованием и определяют в нем текущую концентрацию ионов металлов (Сф) методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе 210VGP.

Для исследования влияния концентрации металла в растворе на равновесие в ионообменной системе получают изотермы сорбции. Для получения изотерм процесс сорбции проводят следующим образом: в серию пробирок помещают навески сорбента массой по 0,10 г и заливают их 10 мл водного раствора сульфата металла с концентрациями металла в интервале 1,5•10-4 - 5•10-2 моль/л и выдерживают при перемешивании до установления состояния равновесия (время достижения сорбционного равновесия определяют при исследовании кинетики сорбции). Затем раствор отделяют от сорбента фильтрованием и определяют в нем равновесную концентрацию ионов металла (Се) методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Сорбционную емкость сорбента в каждый конкретный момент времени ф рассчитывают по формуле (1):

(1)

где Сsorb.- сорбционная емкость, ммоль/г;

С0 - начальная концентрация ионов металла, моль/л;

Сt - концентрация ионов металла в момент времени t, моль/л;

m - масса навески сорбента, г; V - объем раствора, мл.

При снятии изотермы сорбции в условиях установившегося равновесия в системе определяли равновесную концентрацию ионов металла в растворе (Се) и рассчитывали равновесную сорбционную емкость:

(2)

где Сsorb.,e - равновесная сорбционная емкость, ммоль/г;

Се - равновесная концентрация ионов металла, моль/л.

Величину сорбции (А, моль/кг) находили как отношение сорбционной емкости к молекулярной массе металла (3):

(3)

где Сsorb.- сорбционная емкость, ммоль/г;

М - молекулярная масса металла, г/моль.

Степень извлечения б определяли следующим образом:

(4)

Коэффициент распределения KD рассчитывали как отношение концентрации ионов металла в фазе полимера (Сsorb.) к его содержанию в растворе:

(5)

При исследовании влияния рН раствора на процесс сорбции ионов тяжелых металлов серию пробирок с одинаковыми навесками сорбента по 0,10 г заливали 10 мл водного раствора нитрата металла со значениями рН 1-6. Необходимую величину рН создавали, используя азотную кислоту. Величину рН контролировали по рН-метру ЭКСПЕРТ-рН до начала сорбции и после достижения равновесия. При достижении сорбционного равновесия растворы отфильтровывали и определяли в фильтрате остаточную концентрацию ионов металлов на приборе 210VGP. Сорбционную емкость и степень извлечения ионов металла рассчитывали по формулам (2) и (4) [7].

Результаты

Важными характеристиками сорбента являются величина сорбционной емкости и время достижения сорбционного равновесия. Для определения сорбционного равновесия была исследована кинетика сорбции ионов Cu(II) сорбентом из стеблей топинамбура из водного раствора сульфата меди (рис. 1). Время достижения сорбционного равновесия в гетерогенной системе «водный раствор - сорбент» составляет 5 мин, а степень извлечения ионов Cu(II) составляет 97 %. Полученные результаты свидетельствуют о хороших равновесно-кинетических свойствах сорбента.

Рис. 1 - Кинетическая кривая сорбции ионов Cu(II) сорбентом из стеблей топинамбура

Для определения предельной сорбционной емкости сорбента была получена изотерма сорбции Cu(II) из водных растворов сульфата металла (рис. 2).

Полученные экспериментальные данные можно описать уравнением изотермы адсорбции Ленгмюра [8]:

(6)

где АR - предельная, или максимальная, сорбционная емкость полимера по данному металлу, моль/кг;

К - концентрационная константа сорбционного равновесия, характеризующая интенсивность процесса сорбции, л/моль;

Се - равновесная концентрация сорбата, моль/л.

Рис. 2 - Изотерма сорбции ионов Cu(II) сорбентом из стеблей топинамбура

Предельная сорбция А? сорбента из стеблей топинамбура по отношению к ионам меди, полученная по модели Ленгмюра, составила 1,1 моль/кг.

Результаты обработки изотермы сорбции ионов Сu(II) сорбентом из стеблей топинамбура по модели Ленгмюра представлены на рис. 3 и в табл. 1.

Табл. 1 - Параметры обработки изотермы сорбции по модели Ленгмюра методом наименьших квадратов

Катион металла

1/АҐЧК

1/АҐ

Коэффициент корреляции

АҐ, моль/кг

Cu(II)

0,001 ± 5Ч10-4

0,86 ± 0,04

0,99

1,16

Рис. 3 - Обработка изотермы сорбции ионов Сu(II) по модели Ленгмюра

сорбционный ион медь

Большое влияние на сорбционный процесс оказывает рН раствора. Существует некоторое оптимальное значение рН для данной гетерофазной системы «водный раствор-сорбент», при котором сорбционная емкость сорбента достигает максимума. Для определения оптимального диапазона было изучено влияние рН раствора на сорбцию ионов Cu(II) сорбентом из стеблей топинамбура из водных растворов нитратов металла. Результаты опытов представлены на рис. 4 и 5.

Из рис. 4 видно, что зависимость степени извлечения ионов Сu(II) от рН водного раствора имеет вид кривой с максимумом в области рН 5,5 - 6,0. Максимальное извлечение катионов Cu(II) сорбентом из стеблей топинамбура наблюдается при рН равновесных растворов, близких к нейтральным. Следовательно, указанный интервал значений рН является оптимальным для наиболее полного протекания сорбционного процесса в гетерофазной системе «водный раствор нитрата металла - полисахаридный сорбент». Ограничение интервала рН 6,0 связано с началом выпадения в осадок гидроксида меди.

Рис. 4. Влияние рН раствора на сорбцию ионов Cu(II) сорбентом из стеблей топинамбура

Полученные результаты согласуются с литературными данными [9], в которых отмечается сложный характер функциональной зависимости сорбционной емкости полисахаридных материалов от рН равновесного раствора.

Экспериментальные данные были представлены в координатах уравнения:

(7)

или в линейной логарифмической форме:

(8)

Результаты обработки полученных данных методом наименьших квадратов представлены на рис. 5 и в табл. 2.

Рис. 5 - Влияние рН раствора на распределение ионов тяжелого металла в системе (Ме(NO3)2-H2O-HNO3) - полисахаридный сорбент

Табл. 2 - Параметры уравнения линейной логарифмической формы

Ион металла

const

n

Коэффициент корреляции

Сu(II)

1,19±0,32

0,306 ± 0,063

0,96

Как видно из табл. 2, тангенс угла наклона линейной зависимости lgKD - рН для двухзарядного катиона Cu(II) намного меньше единицы и составляет ? 1/4, что объясняется эквивалентным участием протонов и анионов водной фазы в молекулярной форме кислотного компонента (HNO3) при межфазном обмене d-металлов и протонов.

Выводы

1. Исследованы сорбционные свойства полисахаридного сорбента из стеблей топинамбура по отношению к ионам тяжелого металла и установлено, что время достижения сорбционного равновесия в гетерогенной системе «водный раствор - сорбент» составляет 5 мин, а степень извлечения ионов Cu(II) достигает 97 %.

2. Получена изотерма сорбции ионов Cu(II) из водных растворов сульфата металла и определена предельная сорбционная емкость сорбента А?, полученная по модели Ленгмюра, которая составила 1,1 моль/кг.

3. Исследовано влияние рН раствора на сорбцию ионов Cu(II) стеблями топинамбура из водных растворов соли металла в диапазоне рН 1 - 6. Установлено, что максимальное извлечение катионов Cu(II) топинамбуром наблюдается при рН равновесных растворов, близких к нейтральным ( рН 5,5-6,0).

Список литературы

1. Осокин В.М., Сомин В.А. Исследование по получению новых сорбентов из растительного сырья для очистки воды // Ползуновский вестник. 2013. № 1. С. 280 - 282.

2. Патент РФ 2201900. Способ очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов / Ахмедов Артык, Галкина Л.А., Осипов П.С., Ефимов С.Б., Гущин А.Е.; заявитель ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт целлюлозно-бумажной промышленности»; заявл. 04.12.2001; опубл. 10.04.2003.

3. Корнеева О.С., Глаголева Л.Э., Родионова Н.С., Шуваева Г.П. Исследование энтеросорбирующих свойства новой биополимерной композиции на основе растительных и животных клеток [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2012. №2. URL: http://www.science-education.ru/pdf/2012/2/23.pdf (дата обращения. 13.03.15)

4. Шевелева И.В., Холомейдик А.Н., Войт А.В., Земнухова Л.А. Сорбенты на основе рисовой шелухи для удаления ионов Fe(III), Cu(II), Cd(II), Pb(II) из растворов // Химия растительного сырья. 2009. № 4. С. 171 - 176.

5. Никифорова Т.Е. Сорбция ионов Cu(II) соевым шротом, модифицированным монохлорацетатом натрия // Журнал прикладной химии. 2002. Т. 45. Вып. 4. С. 428 - 433.

6. Кокотов Ю.А., Пасечник В.А. Равновесие и кинетика ионного обмена. Л.: Химия, 1970. 336 с.

7. Ахназарова С. Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М.: Высшая школа, 1985. 327 с.

8. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1989. 464 с.

9. Юрьев В.И., Виноградова Л.Г., Родина Т.В. Химия и технология целлюлозы и лигнина. Л.: Химия, 1982. 220 с.

10. Никифорова Т.Е., Козлов В.А., Модина Е.А. Сольватационно - координационный механизм сорбции ионов тяжелых металлов целлюлозосодержащим сорбентом из водных сред // Химия растительного сырья. 2010. № 4. С.23-30.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Прохождение луча света через истинные растворы и коллоидные системы. Окислительные свойства хлора по отношению к бромид и иодид ионам, а также по отношению к сульфид и сульфит ионам. Каталитическое разложение пероксида водорода в присутствии ионов меди.

    лабораторная работа [1,8 M], добавлен 02.11.2009

  • Положение меди в периодической системе Д.И. Менделеева. Распространение в природе. Физические и химические свойства. Комплексные соединения меди. Применение меди в электротехнической, металлургической и химической промышленности, в теплообменных системах.

    реферат [62,6 K], добавлен 11.08.2014

  • Физико-химическая характеристика алюминия. Методика определения меди (II) йодометрическим методом и алюминия (III) комплексонометрическим методом. Оборудование и реактивы, используемые при этом. Аналитическое определение ионов алюминия (III) и меди (II).

    курсовая работа [53,8 K], добавлен 28.07.2009

  • Селективные свойства сорбента "ПЭГ-400-В-ЦД" по отношению к структурным и оптическим изомерам органических соединений. Влияние добавки макроциклического В-ЦД на хроматографическое удерживание и термодинамические функции сорбции исследуемых сорбатов.

    дипломная работа [2,3 M], добавлен 09.08.2016

  • Кремнеземы с иммобилизованными серосодержащими группировками. Методика фотометрического определения металлов в водной фазе. Приготовление рабочих растворов. Метод рентгеновского определения металлов в фазе сорбента. Определение кинетических параметров.

    дипломная работа [1,9 M], добавлен 25.05.2015

  • Характеристика, классификация и химические основы тест-систем. Средства и приёмы анализа различных объектов окружающей среды с использованием тест-систем. Определение ионов кобальта колориметрическим методом из растворов, концентрации ионов меди.

    дипломная работа [304,6 K], добавлен 30.05.2007

  • Атомные, физические и химические свойства элементов подгруппы меди и их соединений. Содержание элементов подгруппы меди в земной коре. Использование пиро- и гидрометаллургическиех процессов для получения меди. Свойства соединений меди, серебра и золота.

    реферат [111,9 K], добавлен 26.06.2014

  • Распространение меди в природе. Физические и химические свойства меди. Характеристики основных физико-механических свойств. Отношение меди к галогенам и другим неметаллам. Качественные реакции на ионы меди. Двойные и многокомпонентные медные сплавы.

    реферат [68,0 K], добавлен 16.12.2010

  • Общая характеристика меди. История открытия малахита. Форма нахождения в природе, искусственные аналоги, кристаллическая структура малахита. Физические и химические свойства меди и её соединений. Основной карбонат меди и его химические свойства.

    курсовая работа [64,2 K], добавлен 24.05.2010

  • Физические и химические свойства меди: тепло- и электропроводность, атомный радиус, степени окисления. Содержание металла в земной коре и его применение в промышленности. Изотопы и химическая активность меди. Биологическое значение меди в организме.

    презентация [3,9 M], добавлен 12.11.2014

  • Медь металл мягкий и пластичный. По электро- и теплопроводности медь уступает только серебру. Металлическая медь, как и серебро, обладает антибактериальными свойствами. Малахит является соединением меди, состав природного малахита - основной карбонат меди

    курсовая работа [182,8 K], добавлен 24.05.2005

  • Изучение физико-химических свойств меди, арсеназо и полигексаметиленгуанидина. Природа поверхности кремнезема, модифицированные кремнеземы. Методика сорбционного концентрирования меди с использованием кремнезема, нековалентно-модифицированного арсеназо I.

    курсовая работа [282,2 K], добавлен 20.05.2011

  • Физиологическая роль и индикаторы элементного статуса меди. Применение ее в промышленности и медицине. Физические свойства химического элемента, нахождение его в природе. Оценка содержания меди в организме человека, индикаторы ее элементного статуса.

    презентация [3,5 M], добавлен 23.02.2015

  • История открытия меди и серебра. Применение меди в промышленности: электротехнике, машиностроении, строительстве, химическом аппаратуростроении, денежном обращении и ювелирном деле. Основные химические свойства и физическая характеристика металлов.

    презентация [1,1 M], добавлен 25.03.2013

  • Физические и химические свойства меди - первого металла, который впервые стал использовать человек в древности за несколько тысячелетий до нашей эры. Значение меди для организма человека. Область ее применения, использование в народной медицине.

    презентация [5,0 M], добавлен 19.05.2014

  • Медь - химический элемент I группы периодической системы Менделеева. Общая характеристика меди. Физические и химические свойства. Нахождение в природе. Получение, применение, биологическая роль. Использование соединений меди.

    реферат [13,4 K], добавлен 24.03.2007

  • Изучение сорбируемости меди на буром угле, сапропелях и выделенных из них гуминовых кислотах и минеральном сорбенте на основе горелой породы. Методы извлечения и структура гуминовых кислот. Функции гумусовы веществ в биосфере. Методы определения меди.

    курсовая работа [741,5 K], добавлен 14.12.2010

  • Методика определения содержания меди в виде аммиаката в растворе, дифференциальным методом. Необходимая аппаратура и реактивы. Основные достоинства дифференциальной спектрофотометрии. Расчет массы аммиаката меди в растворах в колбах. Погрешность опыта.

    лабораторная работа [60,7 K], добавлен 01.10.2015

  • Медь и её содержание в живой природе и полезных ископаемых. Определение содержания ионов меди в воде реки методом фотоэлектроколориметрии. Методика определения качества природных вод в школьном кабинете химии и результаты колориметрического анализа.

    лабораторная работа [68,6 K], добавлен 25.03.2013

  • Ртуть и ее соединения. Получение тетрайодомеркурата калия и диоксида серы. Комплексные соединения переходных элементов, их особенности и роль в науке и биохимических процессах. Синтез тетрайодомеркурата меди и его свойства. Соединения серебра и золота.

    курсовая работа [80,5 K], добавлен 11.12.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.